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Verfahren zur Herstellung von porösen Wärmesehutzsteinen u. dgl.
Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zur Herstellung von Wärmeschutzsteinen, welche aus einem Gemisch von feuerfesten und organischen Teilchen bestehen und geringe Dichte sowie niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
Es sind bereits Wärmeschutzsteine bekannt, bei denen die Poren durch Ausbrennen der organischen Bestandteile erhalten werden. Auch hat man vorgeschlagen, durch Zusatz von gasentwickelnden Substanzen Hohlräume in der Masse vor dem Brennen derselben zu schaffen.
Gemäss der Erfindung wird ein derartiger Zusatz vermieden und trotzdem die Erzielung von Lücken oder Poren bewirkt, welche in ihrer Gesamtheit im Verhältnis zu den festen Bestandteilen viel Raum einnehmen, wobei jedoch eine ausreichende Druckfestigkeit und Tragfähigkeit gewährleistet sind.
Diese Vorteile werden gemäss der Erfindung dadurch erreicht, dass die Bildung kleiner Lücken bzw. Poren sowohl durch Herstellung einer aus den feuerfesten und den brennbaren organischen Teilchen sowie Wasser gebildeten und dann stark mit Luft durchsetzten sowie zwecks Schonung der so entstandenen Lufteinschlüsse unverzüglich nach dem Aufschäumen in Filterformen gegossenen Mischung als auch zusätzlich beim nachherige Brennen der geformten Ziegel durch Ausbrennen der vorher als Stützpunkte für die Anlagerung der Sehauir blasen dienenden, organischen Teilchen bewirkt wird, wobei beide Arten von Lücken bzw. Poren im Durchschnitt ungefähr die gleiche Grösse, Zahl und Verteilung aufweisen.
Vorteilhaft erfolgt das Brennen der Ziegel zuerst so lange in einer reduzierenden Atmosphäre, bis die Schrumpfung vollendet, die organischen Teilchen verkohlt sind und sodann in einer oxydierenden Atmosphäre, um die Verbrennung und Beseitigung dieser organischen Einschlüsse zu bewirken.
Hiebei kann während des Brennens vorzugsweise durch zwischen je zwei benachbarten Ziegeln eines ganzen Ofeneinsatzes aufgestellte Zwischenstücke u. dgl. ein Teil der Ziegel abgeschirmt werden, so dass sie an den abgeschirmten Stellen gleichmässig porös bleiben, während der nicht abgeschirmte Teil geschmolzen bzw. glasiert wird.
In der Zeichnung zeigen Fig. 1 und 2 Aufstellungsweisen der Presslinge im Ofen für das Brennen, Fig. 3 und 4 einen Längsschnitt und einen waagerechten Schnitt durch die neuen Ziegel.
Bei der Herstellung hochfeuerfester Steine mit niedriger Wärmeleitfähigkeit wurde gefunden, dass sehr kleine und gut verteilte Lücken oder Poren den grossen vorzuziehen sind. Die Erfindung will die Feinporigkeit dadurch erreichen, dass sie zunächst ein flüssiges Gemisch aus feuerbeständigen und organischen Teilen mit Luft anreichert und dann die organischen Bestandteile beseitigt, so dass sowohl durch die Einführung von Luft wie auch durch die Entfernung der organischen Teilehen, also auf zwei Wegen, Poren erzeugt werden.
Ein für die Zwecke der Erfindung geeignetes Gemisch ist im Falle der Verwendung von Kaolin folgendes : 40% Kaolin, 20% Scheiben oder Bruch des erfindungsgerräss hergestellten Brennerzeugnisses und 40% Holzmehl (alles Gewichtsprozente). Man mrlahlt und mischt den Ton und den Bruch mit Wasser, so dass alles durch ein 38-Maschen-Sieb hindurchgeht. Dann mischt man die Masse mit dem Holzmehl, das fein genug sein soll, um durch ein 35-Maschen-S : eb hindurchzugehen, während der grösste Teil desselben durch ein 48-Masehen-S'eb gehen soll. Auf 100 kg trockenen Gemisches werden zweckmässig 200 kg Wasser verwendet, um einen zum Eingiessen in die Ziegelforiren geeigneten Brei zu erhalten.
Der Wasserbrei wird durch Sel lagen und heftiges Rühren oder durch Einblasen von Luft in den Behälter oder aber durch beide Hilfsnittd aufgesctäuirt, bis das Ganze mit gleichmässig verteilten Luftblasen gefüllt ist.
Unter "Luft" ist jedes beliebige Gas zu verstehen.
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In dem so hergestellten Gemisch bilden die Holzmehlteilchen Kerne bzw. Stützpunkte, an die sich die Luftbläschen anlagern. Bis-zu einem gewissen, erfahrungsmässig feststellbaren Punkte werden die Luftbläschen in der Schaummasse um so kleiner, je feiner die organischen Teile sind, darüber hinaus scheint eine weitere Erhöhung der Feinheit der Kernteilehen ohne Einfluss zu sein. Bei der bekannten Herstellung poröser Ziegel hat die Einverleibung organischer Stoffe nur den Zweck, diese Teilchen beim Brennen der Ziegel durch Verbrennung wieder zu beseitigen. Beim neuen Verfahren handelt es sich aber darum, die organischen Bestandteile als Kerne zur Anlagerung der Schaumblasen auszunutzen. Daher sind hier solche organische Stoffe, die Wasser absorbieren und in Wasser quellen, wie z. B. Stärke oder Weizenmehl, zu vermeiden.
Man verwendet vielmehr wasserunlösliche organische Stoffe, wie z. B.
Holzmehl.
Wenn der Brei gründlich aufgeschäumt ist, soll er unverzüglich in die Filterformen eingegossen werden, so dass die Beseitigung des Wasserüberschusses aus dem die Bläschen einschliessenden Schlamm, also die Verdickung des Breies erfolgt, ehe die Schaumblasen zusammensinken und die Luft bemerkenswert entweicht. Die Holzteilchen verzögern die Zerstörung der Bläschen und das Zusammensinken des Schaumes, aber nur für eine gewisse Zeit. Die Beseitigung des Wasserüberschusses durch Filtrieren, das zweckmässig mittels Druckunterschiedes (vorzugsweise durch Vereinigung eines Unterdruckes) auf der Filterbettseite und eines Überdruckes auf der andern Seite beschleunigt wird, verdickt das breiige oder schlammige Gemisch rasch so weit, dass die Schaumbläschen endgültig festgehalten werden.
Der ganze Ziegel ist dann etwa ein verdichteter oder abgebundener Schaum mit einem sehr hohen Volumen- gehalt an sehr kleinen Schaumbläschen, die ziemlich gleichmässig in der Grösse und auch gleichmässig verteilt sind.
Das Filtrieren kann so durchgeführt werden, dass die Steine fest genug sind, um sie handhaben zu können, oder man kann die Entwässerung durch Fliehkraft gleichzeitig mit dem Formen in der später zu beschreibenden Weise vornehmen. Nach dem Filtrieren oder Formen werden die Press-oder Rohlinge etwa 12-18 Stunden lang bei ungefähr 950 C getrocknet, wobei die Nachbarflächen geölt werden können, um ein Ankleben zu verhindern.
Presslinge dieser Art lassen sich auch aus einem Gemisch zweiatomiger Erden (Infusorienerden) und Holzmehl gewinnen. Man verwendet beispielsweise 60% Infusorienerde und 40% Holzmehl unter
Zusatz von 170 bis 185 kg Wasser zu 100 kg des trockenen Gemisches und verschäumt den wässerigen
Brei durch Schlagen oder Blasen oder beides. Wenn man bei Infusorienerde die Schäumungsarbeit ver- längert, so entsteht allmählich ein leichterer und feinerer Schaum. Die Grenzen für den Wasserzusatz im Hinblick auf gute Schaumbildung sind enger als bei einem Kaolingemisch. Die Suspension von In- fusorienerde in dem wässerigen Schaum ist flüssig genug, um ein leichtes Ausgiessen in die Formen zu ermöglichen, aber sie verdickt sich rasch und wird ohne besondere Wasserbeseitigung (z.
B. durch Fil- tration) genügend steif, um die Rohlinge trocknen zu können. Dieses Schaumgemisch kann man auch nach der üblichen Arbeitsweise formen.
Die Verdichtung oder das Steifmachen der Masse zwecks Erzielung trockenfähiger und brenn- fähiger Presslinge muss sich natürlich grundsätzlich den ungleichen physikalischen Bedingungen der beiden gegebenen Beispielstoffe anpassen, u. zw. nach Massgabe der Konsistenz des Stoffes, der den bläschenhaltigen Teil der Schaummàsse bildet. Die anzustrebende Verfestigung der Masse muss auf die
Beweglichkeit der darin enthaltenen festen Teilchen gegenüber Druckunterschieden Rücksicht nehmen.
Im Falle eines Tonbreies vermindert sich bei der Entfernung des Wassers durch Filtrieren das Gesamt- volumen des die Bläschen im Schaum einschliessenden festen Stoffes, und es entsteht eine Schrumpfung der ganzen Masse. Diese Schrumpfung vollzieht sich hauptsächlich in dem wässerigen Schlamm, in dem das Mengenverhältnis an dispergierten festen Teilchen zum Wasser nach Massgabe der Beseitigung des letzteren zunimmt. Die eingeschlossenen Bläschen behalten im wesetlichen ihr Volumen, denn es tritt nur ein geringer Verlust durch Platzen und Entweichen einzelner Bläschen ein. In dem Schlamm werden also die festen Teile (Kaolin und Holzmehl) immer dichter gepackt, je mehr das Wasser-als das Medium für die plastische Beweglichkeit der Feststoffe-sich vermindert.
Bei einem Brei aus Infusorienerde tritt von selbst Steifwerden ein, oder mit andern Worten : die gegenseitige Beweglichkeit der festen Teile gegenüber Druckunterschied ändert sich infolge innerer Vor- gänge, die eine Quellung statt einer Zusammenziehung anstreben. Infusorienerde stammt von Meeres- organismen, und ein kleiner Rückstand der organischen Stoffe, aus denen diese Körper teilweise bestanden, bleibt in der Erde zurück. Dieser organische Rückstand, der beim Kalzinieren von zweiatomiger oder
Infusorienerde durch Verbrennung in die Erscheinung tritt, dürfte durch sein Verhalten als organisches, wasserabsorbierendes Kolloid die Versteifungs-oder Verdickungswirkung in dem Brei hervorrufen und anderseits auch die Ursache für die geringere plastische Beweglichkeit der festen Teilchen sein.
Ob diese
Erklärung zutrifft oder nicht, ist unwesentlich, jedenfalls beruht die Verdickung der Schaummasse in beiden obigen Beispielen auf der Abnahme des Verhältnisses zwischen dem Wasser und den darin dis- pergierten, die Bläschen einschliessenden Teilen. Bei einem Tonbrei wird die Verminderung dieses Ver- hältnisses durch Beseitigung eines Teiles des Wassers herbeigeführt, und die einzelnen Festteilchen bleiben in ihrer Grösse unverändert. Bei einem Brei aus Infusorienerde tritt dieselbe Wirkung durch Quellung
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dispergierter Teilchen ein, die durch Aufnahme eines Teiles des Wassers in sich selbst eine gewisse Wassermenge beseitigen und dadurch die gegenseitige Beweglichkeit der festen Teile herabsetzen.
Die Herstellung einer gashaltigen Schaummasse mit Blasen, die an einen Stoff, wie Holzmehl, angelagert sind, das Abbinden der Schaummasse durch Verdickung des die Bläschen einschliessenden Stoffes und die Erzeugung von Ziegelrohlingen mit fein verteilten Poren, d. h. das neue Verfahren lässt sich hienach gleich gut bei allen erdigen Ziegelgemischen, wie z. B. Kaolingemischen und solchen mit Infusorienerde, anwenden. Man kann auch beiden Arten von Gemischen Bestandteile, wie Ziegelbruchmehl, zusetzen, das auch im Falle von Infusorienerde aus Bruch von bereits gebrannt gewesenen Steinen derselben Art bestehen soll. In allen Fällen kann ferner das Verhältnis an organischen Stoffen, die zur Anlagerung der Bläschen dienen, zu den erdigen Stoffen in beachtlichen Grenzen wechseln.
Die Tonpresslinge und solche, die in der Hauptsache aus Infusorienerde bestehen, sind jedoch hinsichtlich der Behandlung beim Trocknen und Brennen wesentlich verschieden. Die Rohlinge aus Infusorienerde können unbedenklich rascher und bei höheren Temperaturen getrocknet werden, natürlich aber unterhalb der Wärmegrade, bei denen die organischen Einschlüsse verbrennen. Infusorienerdeziegel lassen sich auch rascher als Tonziegel brennen, u. zw. ohne Anwendung einer reduzierenden Atmosphäre, die aus den nachstehend angegebenen Gründen beim Brennen der Tonziegel während gewisser Stufen des Brennvorganges praktisch unentbehrlich und jedenfalls sehr erwünscht ist. Anderseits sollen nach dem Brennen Infusorienerdeziegel langsamer abgekühlt werden, als es bei Tonziegeln nötig ist.
Letztere werden nach dem Verdicken der Sehaummasse und dem Trocknen der Presslinge in folgender Weise gebrannt.
Die Rohlinge werden zweckmässig ununterbrochen in den Ofen eingebracht, um die Wirkung des Schleifens auf der Unterlage während der unvermeidlichen Schrumpfung auf ein Geringstmass zu bringen. Bei der Erhitzung in Gegenwart von Sauerstoff würde eine Verbrennung der organischen Einschlüsse aus Holzmehl eintreten. Man hat daher in dem Ofen für den Beginn der Erhitzung oder schon vorher eine reduzierende Atmosphäre zu schaffen und so lange aufrechtzuerhalten, bis die Schrumpfung beendet ist. Sie ist die Folge des Entweichens gebundenen Wassers, das etwa bei 5900 C beginnt.
Unter allen Umständen müssen das Ansteigen der Temperatur und die Schrumpfgeschwindigkeit überwacht werden, denn bei der Verbrennung der organischen Bestandteile würde die Temperatur sehr rasch ansteigen und ihr Anwachsen liesse sich nicht mhr regeln, was bis zum Ende der Schrumpfung vermieden werden muss.
Wenn etwas unterhalb 5900 C keine bemerkenswerte Schrumpfung eintritt, kann die Ofentemperatur unter Beibehaltung der reduzierenden Atmosphäre gesteigert werden, so dass die Wirkung in ungefähr einer Stunde oder etwas weniger erreicht wird. Dann wird die Temperatursteigerung bis zum Eintritt von etwa 9250 C wieder etwas verzögert, u. zw. beispielsweise auf eine Zunahme von ungefähr 380 C je Stunde. Hat man etwa 11500 C erreicht, so wird die reduzierende Atmosphäre durch eine oxydierende ersetzt, und die inzwischen verkohlten organischen Teilchen werden durch Verbrennung beseitigt. Gleichzeitig sind die Ziegel vollständig geschrumpft, und das Anwachsen der Temperatur durch das Verbrennen der verkohlten Einschlüsse ist nicht mehr schädlich. Die Endbrenntemperatur liegt in der Nähe von 15350 C.
Dann werden die Ziegel gekühlt und nach dem Abkühlen durch Abschleifen in bekannter Weise fertiggemacht.
Ziegel von rund 23 x 11% x 5% cm haben bei Herstellung in der beschriebenen Weise ein durchschnittliches Gewicht von 0-68 kg. Ihre Wärmeleitzahl liegt zwischen 0-174 WE bei 2050 C bis 0'385 WE bei 1093 C. Beim Wiedererhitzen auf 14000 C während fünf Stunden beträgt die Schrumpfung 0'4%, ist also günstig. Wenn 1 % Schrumpfung zugelassen wird, können die Ziegel mit Erfolg bei Temperaturen von etwa 1540 C verwendet werden. Die Druckfestigkeit ist verhältnismässig nicht hoch, sie beträgt ungefähr 4'7 kg/cm2. Sie kann jedoch erhöht werden, wenn man einen Ton mit niedrigerer
Glasierungstemperatur verwendet, wobei sich eine etwas geringere Dichte, Wärmeschutzfähigkeit und Feuerfestigkeit ergibt.
Eine Druckfestigkeit von 4'7 kg/cm2 reicht jedoch für die praktischen Bedarfnisse aus und bietet genügende Sicherheit.
Isoliersteine derselben Grösse, die in der angegebenen Weise aus einer Schaummasse von Infusorienerde und Holzmehl hergestellt sind, wiegen durchschnittlich 0 454 kg oder etwas weniger. Vom Gesichtspunkt der Leitfähigkeit aus scheint es nicht vorteilhaft zu sein, die Masse stärker zu verschäumen, als es notwendig ist, um Steine der angegebenen Grösse herzustellen, die 0-454 bis etwa 0 574 kg je Stück wiegen. Man kann die Steine aus der verdickten Masse formen, bei der es nicht notwendig bzw. sogar unweckmässig ist, Wasser durch Filtrieren zu entfernen. Das Formen kann auf einer Presse für weiche Masse erfolgen. Diese Ziegel eignen sich anscheinend besonders gut als Hintermauerung für die feuerfeste Auskleidung von Öfen u. dgl., u. zw. besser als für die Innenauskleidung.
Die oben angegebenen Verhältnisse zwischen den erdigen Bestandteilen und den fein verteilten organischen Bestandteilen sollen lediglich einen Anhalt für die praktische Ausführung des neuen Verfahrens geben, können dagegen je nach dem Zweck, dem die Steine dienen sollen, in weiten Grenzen ge- ändert werden. Der Zusatz eines kleineren Teiles an Scherben-oder Bruchmehl ist der freien Wahl überlassen. Bei dem Tonbrei wird durch diesen Zusatz die Filtration erleichtert. Die Festigkeit und Beständigkeit wird sowohl beim Tonziegel wie auch beim Infusorienerdeziegel durch den Zusatz vergrössert. Aber
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diesen Vorteilen steht die Abnahme anderer Güteeigenschaften, wie geringes Gewicht und Isolierwirkung, des Fertigproduktes gegenüber.
Bei der Ausübung des neuen Verfahrens müssen also die Vor-und Nachteile je nach dem Zweck des Produktes gegeneinander abgewogen werden.
Nach der Einführung der Luft in das flüssige Gemisch soll die Herstellung der Rohblöcke, also der sogenannte Formvorgang, so ausgeführt werden, dass die durch die Lufteinführung geschaffenen Hohlräume oder Bläschen sich so wenig wie möglich ändern. Aus diesem Grunde muss die Entwässerung unter möglichst vollständiger Aufrechterhaltung des Luftgehalts vorgenommen werden, u. zw. sind zwecks Erlangung befriedigender Ergebnisse beide Arbeitsvorgänge rasch durchzuführen. Die Erfindung schlägt daher noch ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, um das Entwässern und Formen gleichzeitig vorzunehmen.
Gemäss Fig, 1 und 2 befindet sich im Ofen eine Unterstützungsplatte A, auf der dreieckige Seitenund Zwischenstücke B (Fig. 1) stehen, zwischen denen sich Unterlagen 0 befinden. Beide Teile bestehen aus feuerfestem Stoff. Auf die Unterlagen 0 werden die Presslinge D ununterbrochen aufgestellt, u. zw.
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schickung geschieht zwecks Verringerung des Gleitens der Presslinge auf der Unterlage während der unvermeidbaren Schrumpfung und ferner auch zur Herbeiführung einer besonders hoehfeuerfesten Beschaffenheit des einen Endes der Ziegel.
Bei oder vor Beginn der Erhitzung wird-um eine Verbrennung des Holzmehl in Gegenwart von Sauerstoff zu vermeiden-im Ofen eine reduzierende Atmosphäre geschaffen und bis zum Ende der Schrumpfung der Tonpresslinge aufrechterhalten, die infolge des bei ungefähr 5900 C beginnenden Austrittes gebundenen Wassers eintritt. Der Temperaturanstieg und damit die Schrumpfgeschwindigkeit müssen unbedingt geregelt werden, denn die Verbrennung der organischen Einschlüsse würde die Temperatur rasch steigenlassen, so dass man sie nicht mehr beherrschen könnte.
Tritt etwas unterhalb 5900 C noch keine bemerkenswerte Schrumpfung ein, so kann die Ofentemperatur gesteigert werden und bis zu diesem Punkte ziemlich rasch wachsen, wenn die reduzierende Atmosphäre aufrechterhalten wird, beispielsweise in einer Stunde oder etwas weniger. Bis dann ungefähr 925 C erreicht sind, wird der Temperaturanstieg verzögert und beispielsweise bei etwa 380 C Zuwachs je Stunde gehalten. Ungefähr bei 11500 C wird die reduzierende Atmosphäre durch eine oxydierende ersetzt, und die verkohlten organischen Einschlüsse werden durch Verbrennung beseitigt. Inzwischen sind die Presslinge fertiggeschrumpft, so dass der rasehe Temperaturanstieg durch Verbrennung der Kohle unschädlich bleibt.
Die Endtemperatur beim Brennen der Ziegel liegt in der Nähe von 1650 bis 16900 C.
Infolge der Schutzwirkung, welche die Seiten-und Zwischenstücke B auf das Brenngut ausüben, kommt aber nur der über diese Stücke hinausragende Teil E der Ziegel auf diese hohen Temperaturen, während der grössere untere Teil niemals eine Wärme erreicht, bei der ein Glasieren oder Schmelzen eintritt. Der Erfolg besteht darin, dass das obere Ende E der Steine gesintert, glasurhart und glatt ist und eine besonders hohe Feuerfestigkeit aufweist, während der untere Teil die für eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit angestrebte gleichmässige Porosität aufweist, wie Fig. 3 und 4 zeigen.
An Stelle von Seiten- und Zwischenstücken B von dreieckigem Querschnitt kann man auch Ziegel F verwenden (Fig. 2), zwischen welche die Rohlinge gestellt werden, um denselben Erfolg herbeizuführen.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von porösen Wärmesehutzsteinen u. dgl., die aus einem Gemisch von feuerfesten und organischen Teilchen bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildung kleiner Lücken (Poren) sowohl durch Herstellung einer aus den feuerfesten und brennbaren organischen Teilchen sowie Wasser gebildeten und dann stark mit Luft durchsetzten sowie zwecks Schonung der so entstandenen Lufteinschlüsse unverzüglich nach dem Aufschäumen in Filterformen gegossenen Mischung als auch zusätzlich beim nachherigen Brennen der geformten Ziegel durch Ausbrennen der vorher als Stützpunkte für die Anlagerung der Schaumblasen dienenden organischen Teilchen bewirkt wird,
wobei die Ausbrennkörper in der der erfahrungsgemäss beim Schlagen oder raschen Bewegen einer derartigen Mischung zum Zwecke der Erzielung von Lufteinschlüssen entstehenden Luftporenglösse entsprechenden Grösse bemessen werden, so dass beide Arten von Lücken bzw. Poren im Durchschnitt ungefähr die gleiche Grösse, Zahl und Verteilung aufweisen.